詳細對比幾種工業(yè)聚合物3D打印技術：VOXELJET HSS、HP MJF 和 SLS

導讀：如今的聚合物3D打印市場正在迅速增長，據(jù)有關報告顯示，整個2021年聚合物粉末消費增長了43.3%，超過了光敏樹脂，成為使用最多的3D打印材料。因此，工業(yè)3D打印機原始設備制造商之間的競爭比以往任何時候都要激烈，高速燒結(jié)（HSS）、多射流融合噴射（MJF）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等技術讓制造企業(yè)有了充分的選擇。

HSS技術最初是由拉夫堡大學的NeilHopkinson和贏創(chuàng)公司的Sylvia Monsheimer在21世紀初同時發(fā)明的，是一種基于粉末的3D打印工藝，類似于粘合劑噴射，因其快速的打印速度和大型部件的生產(chǎn)能力而聞名。自2016年該技術獲得商業(yè)化許可以來，voxeljet已經(jīng)開發(fā)了自己的HSS版本，并在2017年推出了其第一臺HSS3D打印機。此后，該公司以VX200 HSS和VX1000HSS等幾款由HSS驅(qū)動的3D打印機充實了其產(chǎn)品系列。

同樣，MJF也是粘合劑噴射器旗幟下的一項技術。惠普公司為功能原型和終端生產(chǎn)提供工程級的聚合物部件，在汽車和消費品等行業(yè)都有應用。

與HSS和MJF（基于噴墨的工藝）不同，SLS是一種激光粉末床熔合的形式。該方法利用高功率激光束和掃描系統(tǒng)，在聚合物粉末床中3D打印零件。

由于所有工藝都具有類似的特性和表面處理，這些聚合物打印技術被視為競爭對手的情況并不少見。在本篇概述中，我們將介紹這三種技術的來龍去脈，看看它們之間有什么不同。

△voxeljetVX1000 HSS。圖片來自voxeljet。

噴墨打印之爭：HSS與MJF

那么，HSS是如何工作的？它首先將一層薄薄的聚合物粉末涂在一個加熱的構建平臺上。然后，噴墨打印頭在平臺上移動，將紅外反應墨水噴射到粉末床的選定區(qū)域。一旦暴露在紅外光下，注入墨水的粉末就會吸收熱量，燒結(jié)并融合成一個固體層，留下未打印的區(qū)域作為散粉。然后，構建平臺被降低，新的粉末層被沉積，這個過程逐層重復，直到3D零件被打印出來。

MJF在許多方面與HSS相似。與HSS工藝非常相似，MJF涉及將一種吸收輻射的液體（又稱熔融劑）噴射到聚合物粉末床的某些區(qū)域。其他區(qū)域的邊界，即不被打印的區(qū)域，用一種稱為細化劑的輔助液體進行冷卻。一旦噴射完成，就用一個紅外燈來輻射整個構建區(qū)域，使沾有結(jié)合劑的部分融合。用細化劑噴射的邊界則保持不融合。

除了voxeljet的VX1000打印機的巨大尺寸之外，這兩種技術的主要區(qū)別在于使用的液體數(shù)量。HSS不需要第二種冷卻劑，因為voxeljet的3D打印機可以獨立控制結(jié)合和未結(jié)合的粉末材料的溫度。他們通過使用兩種不同波長的紅外發(fā)射器來做到這一點，這意味著不需要細化劑來實現(xiàn)精確的邊緣定義。

由于其細化劑，MJF擁有1200dpi的分辨率，而HSS只有360dpi。但決定零件分辨率的關鍵因素仍然是粉末的粒度，所以在這種情況下，更高的噴頭分辨率并不一定意味著更精確的零件。事實上，由于HSS的液滴比單個聚合物晶粒（通常約55微米寬）略大，它們能夠完全覆蓋晶粒之間的交叉點，這對于燒結(jié)的發(fā)生至關重要。

△HSS和MJF的分辨率比較。圖片來自voxeljet

從一些關鍵技術規(guī)格來看，MJF系統(tǒng)的最大構建體積為380 x 294 x 380毫米，而voxeljet VX1000 HSS的特點是1000 x 540 x 180毫米（用于PA12）。在打印速度方面，VX1000 HSS也有自己的優(yōu)勢，其速度為7300cm3/h。另一方面，生產(chǎn)力最高的MJF 3D打印機的打印速度為5058cm3/h。

這兩種工藝的另一個主要區(qū)別是HSS對3D打印的開源方法。Voxeljet的客戶能夠自由訪問他們機器的所有工藝參數(shù)，毫無障礙地將他們的構建適應自己的材料。由于用戶直接與材料供應商談判自己的粉末價格，這可以大大節(jié)省成本。兼容的聚合物清單很長，包括PA12、TPU和PP，這些都是商業(yè)化的或即將上市的。此外，成功的概念驗證包括PA613、PEBA和EVA。

相比之下，MJF 3D打印機能夠加工PA12、PA11和PP。這兩種技術都允許對未打印的粉末材料進行回收和再加工。

△MJF3D打印機的構建室。照片來自Protolabs。

將SLS 3D打印添加到組合中

為了全面起見，我們還將在這次對比中提及SLS 3D打印。SLS三維打印機是這樣工作的：激光器最初將零件的第一層的二維截面掃描到粉末床上，這并不完全是融化粉末，而是將其打碎，使其融合成一個固體層。一旦第一層完成，構建平臺向下移動，促使再涂層機在現(xiàn)有的粉末床上鋪上一層薄而均勻的材料。這種打印和重涂的循環(huán)一直重復到整個構建完成。

最大的SLS系統(tǒng)可以打印一米范圍內(nèi)的零件，Z高度的打印速度約為48毫米/小時（取決于盒子的利用率）。

粉末床熔融生態(tài)系統(tǒng)是3D打印行業(yè)中最先進的系統(tǒng)之一，這意味著今天的工業(yè)級SLS系統(tǒng)可以兼容所有形式的聚合物粉末。這包括PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK，以及更多。

△EOS工業(yè)聚合物3D打印機的構建室。照片來自EOS。

HSS vs MJF vs SLS：機械性能

為了評估每種3D打印技術的機械性能，我們看了一些由一系列供應商提供給我們的拉伸測試數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)涵蓋了每種技術的總共15個拉伸測試狗骨樣品（5個沿X軸打印，5個沿Y軸打印，5個沿Z軸打�。�，每個都是用PA12 3D打印，并根據(jù)ISO 527標準進行測試。

首先，為了確定哪種聚合物打印技術能產(chǎn)生最強的零件，我們看一下平均極限拉伸強度（UTS）。這是一個部件在斷裂之前所能承受的最大拉應力。在這一輪比賽中，是SLS打印的試樣平均強度最高（45.17MPa），其次是MJF（43.10MPa），然后是HSS（40.60MPa）。這三種技術對應的最大斷裂載荷分別為1885.01N、1782.7N和1659.1N。

有趣的是，在voxeljet的官方PA12數(shù)據(jù)表中，XY的UTS值為52（+/-1）MPa，Z的UTS值為46（+/-2）MPa。造成這種差異的原因是，材料數(shù)據(jù)表中給出的數(shù)據(jù)是指針對機械數(shù)據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)的打印。相比之下，為本研究打印的狗骨是用針對精度和細節(jié)優(yōu)化的參數(shù)打印的。因此，客戶可以選擇以針對自己的應用進行優(yōu)化的規(guī)格來打印零件，這與voxeljet提供的開源策略是一致的。

接下來是楊氏模量，它是衡量拉伸剛度的一個指標。楊氏模量越高，意味著部件越硬，在彈性負載下只發(fā)生輕微變形，而楊氏模量越低，相當于部件的彈性越大，在負載下越靈活。這一次，HSS產(chǎn)生了最堅硬的部件（1.82GPa），其次是SLS（1.73GPa）和MJF（1.43GPa）。

最后，我們有斷裂伸長率，這是一種延展性的測量。該測量顯示了一個零件在斷裂之前可以被拉伸多少，占其原始長度的百分比。有趣的是，在XY平面上，SLS打印的零件延展性最好（17.53%），其次是MJF（16.87%）和HSS（8.88%）。然而，在Z平面上，MJF產(chǎn)生了最多的延展性部件（14.40%），其次是SLS（9.32%），和HSS（6.36%）。

HSS vs MJF vs SLS：尺寸精度

接下來，我們想比較一下每種3D打印技術的尺寸精度。為了做到這一點，我們對四個不同的零件幾何形狀進行了計量掃描，每個零件都被3D打印并掃描了三次（通過HSS、MJF和SLS掃描一次）。我們將零件的這12次掃描與原始STL文件進行了比較，這使我們能夠計算出打印件在其表面各點上的偏差和不準確性。使用的三維掃描儀是GOM ATOS II 400，它的精度為±30μm。

△計量測試結(jié)果。圖片由3D打印工業(yè)提供

從計量數(shù)據(jù)來看，四個SLS打印的零件總體上是最精確的，因為它們的尺寸最接近STL模型的預期尺寸，平均偏移量只有0.0084毫米。HSS的平均不精確性為0.0527毫米，而MJF則進一步落后于0.0603毫米。

然而，僅僅是平均值并不能說明全部問題�？匆幌鲁叽缯`差的標準偏差值，SLS實際上有最高的分布，為0.1232毫米。其次是MJF，為0.1074mm，而HSS的掃描誤差差值最小，僅為0.0925mm。因此，雖然SLS打印的零件的尺寸平均來說會更真實，但實際上是HSS工藝提供了最大的一致性和可重復性。

為了說明這一點，我們將仔細看看四個幾何形狀中的一個（支撐架），如上圖所示。鐘形曲線上的界限定義了99.6%的點所處的區(qū)域。例如，通過SLS3D打印的99.6%的尺寸都在-0.366毫米和0.388毫米的預期值之內(nèi)。對于MJF，這些數(shù)字是-0.402mm和0.154mm。最后，對于HSS，99.6%的打印尺寸在-0.313毫米和0.155毫米的范圍內(nèi)。

值得注意的是，絕大多數(shù)HSS和MJF零件的尺寸都比它們的預期值小，而不是大。這可以歸因于這些3D打印方法所固有的加熱步驟，即使用紅外燈對聚合物部件進行燒結(jié)和熔化，以提高密度和強度。不幸的是，這也有縮減零件的效果，因此在打印準備期間，最好是按比例縮小構建的尺寸，以抵消這種影響。

技術基準：顯示細節(jié)分辨率的立體方塊

為了進一步評估這三種工藝的打印能力，我們評估了幾個物理3D打印基準測試。這些測試中的第一個是一套用PA12材料打印的三個方塊。該設計包括幾個較小的立方體，每個立方體都有一個獨特的3D打印特征，如網(wǎng)格的幾何形狀或移動齒輪系統(tǒng)。

立方體是一個動態(tài)的打印測試，有大量的移動部件，這意味著它提供了一個很好的方法來確定三種技術之間的表面質(zhì)量差異。在這種情況下，我們觀察了每個立方體的組裝過程是否容易，立方體運動的整體流暢性，以及三種技術之間的細節(jié)分辨率。

△3D打印的方塊--MJF（左）、SLS（中）、HSS（右）。照片由3D打印行業(yè)提供。

當組裝HSS酷刑方塊的時候，前六個面根本不需要太多力量就可以卡住。角落部分需要滑動，而不是夾住，由于摩擦力的原因，要把角落卡住就比較困難，其中一些角落需要使用螺絲刀。

至于3D打印的功能，HSS立方體的球窩接頭根本無法工作，鉸鏈可以工作，但很僵硬，而彈簧則完全按預期工作。此外，我們遇到了太多的摩擦，齒輪系統(tǒng)根本無法移動，而較大的立方體本身確實在旋轉(zhuǎn)，盡管有一些阻力。

仔細觀察一些更復雜的立方體單元，我們注意到HSS部件在殘留粉末方面是最干凈的。事實上，我們在晶格幾何形狀的空腔中找不到任何松散的粉末，所以沒有必要進行額外的后處理。

接下來，我們組裝了SLS立方體。這一次，由于接頭處存在多余的粉末，我們在處理六個夾入面時遇到了更多的困難。然而，由于SLS提供了更平滑的表面紋理，滑入式的角立方體更容易組裝，沒有那么多的摩擦。

看一下3D打印的特征，球窩接頭不工作，鉸鏈不工作，但彈簧工作得很好。同樣，有太多的表面與表面之間的結(jié)合，齒輪系統(tǒng)根本無法移動，但較大的立方體的組裝卻非常順利�？偟膩碚f，我們對較寬的SLS組件的流暢性印象非常深刻，因為它是最容易旋轉(zhuǎn)的。

由于晶格結(jié)構中存在少量殘留的尼龍粉末，我們不得不對SLS構建進行一些小的額外的后期處理。這包括在組裝前吹出空腔和手動搖出立方體單元。

最后，我們組裝了MJF立方體。與HSS打印的一樣，前六個面可以很容易地夾住，但相對粗糙的表面紋理意味著滑入角落的部分需要一些重要的手工操作。

有趣的是，這個立方體上的3D打印特征提供了三個立方體中最好的功能。MJF組件是唯一一個有工作的球窩接頭的組件，它有最平滑的鉸鏈運動，并且彈簧如期反彈。然而，由于MJF表面的顆粒狀紋理和非故意的粘合，齒輪系統(tǒng)未能再次移動。旋轉(zhuǎn)的難易程度與HSS構建的相似。

與SLS立方體一樣，我們在單個元件中發(fā)現(xiàn)了小量的殘留粉末。同樣，我們不得不在組裝MJF之前進行一些額外的去粉，特別是通過吹出空腔和手動搖出立方體。

當所有的事情都完成后，我們可以看到HSS和MJF的3D打印立方體明顯比SLS的立方體更有顆粒感，導致表面紋理更粗糙。對于MJF制造的立方體，我們還可以看到層線，這意味著HSS和SLS打印的立方體總體上提供了最好的表面質(zhì)量。

如果我們在三種技術之間比較相同的立方體，我們注意到HSS提供了最好的細節(jié)分辨率，提供了最精細的邊緣、最鋒利的角落和最干凈的薄壁。再往下看，SLS的同類產(chǎn)品開始變得有點模糊，在某種程度上失去了它們的銳利和清晰。最后，是MJF的變體在視覺上是最鈍的。

技術基準：工業(yè)零件

為了進一步補充對比數(shù)據(jù)，服務供應商提供了四個用PA12材料3D打印不同的工業(yè)零件設計。每個模型都被3D打印了三次：一次是通過HSS、SLS和MJF。下面的零件包括一個管狀元件、一個懸架原型、一個支撐架，以及一個具有成套孔和塔的一般基準模型。與酷刑方塊一樣，這些3D打印部件使我們能夠定性地評估三種工藝的性能。

△頂部-HSS，中間-SLS，底部-MJF。

看一下管狀元件、支撐架和懸掛原型，我們再次看到SLS工藝能夠?qū)崿F(xiàn)最光滑的表面。同樣，MJF零件是唯一有肉眼可見的層線的零件，而voxeljet的HSS 3D打印機則位于中間某處。

從3D打印的基準模型中，我們可以看到，HSS變體無疑具有最精細的幾何槽和最清晰的文字--這證明了工藝的準確性，表明在細節(jié)分辨率方面，晶粒大小確實比dpi更重要。然而，SLS零件是唯一一個成功制造出所有塔層的零件，而HSS和MJF則缺少最薄的尖頂。

有趣的是，MJF和SLS構建的孔被打印成真正的圓形（它們應該是這樣的），而HSS工藝產(chǎn)生的孔則更接近于橢圓。然而，HSS也再次提供了最細的邊緣和最尖銳的角落，而SLS和MJF則明顯地更鈍。

價格和應用

制造商在其日常運作中實際采用這些聚合物3D打印技術的成本是多少？為了回答這個問題，我們將目光投向了幾個3D打印服務提供商。

為了比較HSS、MJF和SLS的價格，我們要求對四個不同的3D打印部件進行即時報價。我們選擇了尼龍（PA12）作為材料，并對報價進行了平均，以提供每種工藝的綜合定價情況。

有趣的是，HSS3D打印被證明是最具成本效益的，平均零件價格為15.82歐元。MJF緊隨其后，平均零件成本為23.89歐元（+51.0%），而SLS被證明是成本效益最低的，平均成本為27.50歐元（+73.8%）。

由于技術的相似性，在考慮初始成本時，HSS和MJF的價格實際上是相似的，但有幾個因素最終使HSS更具成本效益。首先，voxeljet VX1000 HSS的尺寸允許打印更大批次的零件，從而降低了系列生產(chǎn)中每個零件的成本。HSS還只使用一種吸收液，而MJF則依賴兩種液體。這種材料消耗上的差異進一步影響了運行成本。

就應用而言，HSS和MJF都為汽車和消費品等行業(yè)的功能原型設計和低應力終端生產(chǎn)提供了可行的途徑。使用案例包括電子外殼、連接器、支架、蓋子、線夾、制造指南和管道。

另一方面，SLS雖然價格較高，但適合生產(chǎn)強度較高的零件，而且是三種工藝中唯一能夠加工高性能工程聚合物（如PEEK）的工藝。因此，那些需要高強度的最終使用部件的人需要支付一定的費用，以確保他們獲得工作所需的機械性能。

結(jié)論

那么，在聚合物3D打印技術中，你應該選擇哪一種？像生活中的許多事情一樣，答案是：視情況而定。

1.      像HSS和MJF這樣的噴墨技術在涉及到零件強度時是不會擊敗SLS的，但是如果你的預算有限，而且有關的零件不會受到極端的負載，HSS可能就適合你了。

2.      有趣的是，我們的測試還表明，HSS適合于高剛度的零件，而MJF則提供更大的延展性和彈性，即使使用相同的材料。因此，當零件的撓度需要最小化時，HSS可能是最好的選擇，而MJF應該在需要彎曲和彈性的情況下使用。

3.      當涉及到尺寸精度時，基于激光的SLS 3D打印勝過基于噴墨的兩種工藝，但HSS表現(xiàn)出最大的可重復性。同樣，這將取決于使用情況，但對于許多系列生產(chǎn)應用，可重復性對于確保產(chǎn)品的可靠性和滿足某些最終質(zhì)量目標至關重要。

最終，我們建議在選擇任何一種3D打印技術之前，對成本、交貨時間、材料選擇和特定部件和應用的機械性能要求進行全面評估。